一种集成多波段共光路同步连续变焦光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组以及用于反射可见光、透射中波红外光和长波红外光的第一组分光棱镜和用于反射长波红外光、透射中波红外光的第二组分光棱镜。本发明采用共口径共光路共变焦形式，在变焦过程中，随公共变倍组的移动，可见、中波和长波红外三个波段同步、连续变焦，且三个波段焦距、变焦比以及视场的变化都相同，实现了利用可见光、中波红外和长波红外三波段对目标同步观测、同步跟踪、同步测量。当要用不同波段观察时，无需进行光路转换和对目标重新搜索的过程，提高了光学系统的反应速度，防止了光路转换过程中丢失高速移动的目标。
【专利说明】一种集成多波段共光路同步连续变焦光学系统
【技术领域】
[0001]本发明属于光学设备【技术领域】，具体涉及一种集成多波段共光路同步连续变焦光学系统。
【背景技术】
[0002]随着在工业检测和安防侦察领域的不断应用以及应用环境的日趋复杂，对成像光学系统的小型化、轻型化、反应速度及实时性等性能提出了越来越高的要求。在此背景下，多个波段集成在一起的变焦光学系统应运而生。变焦系统在短焦、大视场时可以快速搜索、发现目标，在长焦、小视场时精准观察和测量目标，并能通过不间断改变焦距实时跟踪和锁定目标。多波段光学系统成为当今光学领域发展的一个重要方向，此类系统可以对被测物进行多波段检测，对不同辐射波段被测物同时检测，多波段光学系统能够得到更多的探测信息和对不同光谱特性的被测物进行综合探测和精准观测，此外多波段光学系统探测范围宽、适用范围广，能够适应更为复杂、多变的应用环境。
[0003]目前多波段变焦光学系统不同波段系统是单独设计，然后装夹在一起组成多波段光学系统，具体来说，可见、中波和长波红外光学系统是可见系统和中波和长波红外系统三个单独系统的组合，导致系统体积较为庞大。现有的多波段变焦光学系统由于不同波段并非同时、同步锁定目标，因此光路切换后需重新搜索目标直至发现目标后，调整焦距才能再次对目标进行观测，光路切换过程耗时长，大大降低了系统的实时性和反应速度，当被跟踪和测量的目标快速移动的情况下还可能会丢失目标。此外，系统不同波段间变焦范围和焦距不相同，当光切换后，很可能超出观测距离而不能精确地跟踪和测量目标。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种可见光、中波及长波红外三个波段共口径共光路的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，该光学系统能够将可见、中波和长波红外光路集成在一个系统中，并实现可见、中波以及长波红外三个波段同时、共同变焦。
[0005]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组以及用于反射可见光、透射中波红外光和长波红外光的第一组分光棱镜和用于反射长波红外光、透射中波红外光的第二组分光棱镜；第一组分光棱镜的反射光路上设置有可见光后固定组，第二组分光棱镜的透射光路上设置有中波变焦比差补偿组和中波红外光后固定组，第二组分光棱镜的反射光路上设置有长波变焦比差补偿组和长波红外光后固定组。
[0006]所述的公共前固定组包括沿光轴方向依次设置的第一双弯月正透镜和第二双弯月正透镜，第一双弯月正透镜朝向物距面加有非球面，第二双弯月正透镜朝向物距面加有非球面；第一双弯月正透镜由SrF2制成，第二双弯月正透镜由PbF2制成。
[0007]所述的公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月正透镜和双凹面负透镜，第三双弯月正透镜朝向物距面加有衍射非球面；第三双弯月正透镜和双凹面负透镜均由KCl制成。
[0008]所述的公共补偿组包括第一双凸面正透镜和第二双凸面正透镜；第一双凸面正透镜朝向物距的面加有衍射非球面，第二片透镜朝向物距的面加有非球面；第一双凸面正透镜由SrF2制成,第二双凸面正透镜由AgGaS2制成。
[0009]所述的第一组分光棱镜和第二组分光棱镜均由CLEARTRAN ZnS制成。
[0010]所述的可见光后固定组包括沿第一组分光棱镜的反射光路依次设置的第一胶合透镜、第三双凸面正透镜以及第二胶合透镜；其中，第一胶合透镜为一片弯月正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜，第二胶合透镜为一片双凸面正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜；第二胶合透镜正透镜朝向物距的面加有非球面。
[0011]所述的第一胶合透镜中，弯月正透镜和双凹面负透镜的材料分别为N-LaKi^p SF2,第二胶合透镜中，双凸面正透镜和双凹面负透镜的材料分别为N-BaK4和SF1，第三双凸面正透镜由N-SF8制成。
[0012]所述的中波红外光后固定组包括沿第二组分光棱镜的透射光路依次设置的第四双弯月正透镜、第四双凸面正透镜以及第五双弯月正透镜；第五双弯月正透镜朝向物距的面加有非球面；第四双弯月正透镜、第四双凸面正透镜以及第五双弯月正透镜均由Ge制成。
[0013]所述的长波红外光后固定组包括沿第二组分光棱镜的透射光路依次设置的第六双弯月正透镜、第五双凸面正透镜、第七双弯月正透镜、第八双弯月正透镜以及第九双弯月正透镜；第六双弯月正透镜朝向物距的面加有非球面，第五双凸面正透镜朝向物距的面加有衍射非球面。
[0014]所述的第六双弯月正透镜和第七双弯月正透镜均由Ge制成，第五双凸面正透镜和第八双弯月正透镜均由CsBr制成，第九双弯月正透镜由ZnSe制成。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0016]本发明采用共口径共光路共变焦形式，在变焦过程中，随公共变倍组的移动，可见、中波和长波红外三个波段同步、连续变焦，且三个波段焦距、变焦比以及视场的变化都相同，实现了利用可见光、中波红外和长波红外三波段对目标同步观测、同步跟踪、同步测量。当要用不同波段观察时，无需进行光路转换和对目标重新搜索的过程，提高了光学系统的反应速度，防止了光路转换过程中丢失高速移动的目标。
[0017] 本发明采用共口径共光路共变焦形式，将可见光、中波和长波红外集成在同一系统中，与目前非共口径的多波段系统相比，集成多波段光学系统体积小，复杂程度低，且减少了后续控制电路和机械装夹结构，有利于系统加工、组装，这对于实现系统的小型化、轻型化具有重要的意义。
[0018]本发明共口径、同步接收三个波段的目标信息，避免了目标信息不是同时接收，而在时间、空间上就存在一定的差异性的情况，便于后期图像的融合。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构示意图；
[0020]图2为本发明透镜及透镜面的示意图。[0021]其中，LI为第一双弯月正透镜；L2为第二双弯月正透镜；L3为第三双弯月正透镜；L4为双凹面负透镜；L5为第一双凸面正透镜；L6为第二双凸面正透镜；L7为第一组分光棱镜山8为第二组分光棱镜；L9为第一胶合透镜；L10为第三双凸面正透镜；L11为第二胶合透镜；L12为第四双弯月正透镜；L13为第四双凸面正透镜；L14为第五双弯月正透镜；L15为第六双弯月正透镜山16为第五双凸面正透镜；L17为第七双弯月正透镜；L18为第八双弯月正透镜；L19为第九双弯月正透镜。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0023]参见图1，本发明包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组以及用于反射可见光、透射中波红外光和长波红外光的第一组分光棱镜L7和用于反射长波红外光、透射中波红外光的第二组分光棱镜L8 ;第一组分光棱镜L7的反射光路上设置有可见光后固定组，第二组分光棱镜L8的透射光路上设置有中波红外光后固定组，第二组分光棱镜L8的反射光路上设置有长波红外光后固定组。第一组分光棱镜L7和第二组分光棱镜L8均由多光谱CVD硫化锌(CLEARTRAN)制成。
[0024]公共前固定组包括沿光轴方向依次设置的第一双弯月正透镜LI和第二双弯月正透镜L2，第一双弯月正透镜LI朝向物距面加有非球面，第二双弯月正透镜L2朝向物距面加有非球面；第一双弯月正透镜LI由SrF2制成，第二双弯月正透镜L2由PbF2制成。
[0025]公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月正透镜L3和双凹面负透镜L4,第三双弯月正透镜L3朝向物距面加有衍射非球面；第三双弯月正透镜L3和双凹面负透镜L4均由KCl制成。
[0026]公共补偿组包括第一双凸面正透镜L5和第二双凸面正透镜L6 ;第一双凸面正透镜L5朝向物距的面加有衍射非球面，第二片透镜朝向物距的面加有非球面；第一双凸面正透镜L5由SrF2制成,第二双凸面正透镜L6由AgGaS2制成。
[0027]可见光后固定组包括沿第一组分光棱镜L7的反射光路依次设置的第一胶合透镜L9、第三双凸面正透镜LlO以及第二胶合透镜Lll ;其中，第一胶合透镜L9为一片弯月正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜，第二胶合透镜Lll为一片双凸面正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜；第二胶合透镜Lll正透镜朝向物距的面加有非球面。第一胶合透镜L9中，弯月正透镜和双凹面负透镜的材料分别为N-LaK8和SF2，第二胶合透镜Lll中，双凸面正透镜和双凹面负透镜的材料分别为N-BaK4和SF1，第三双凸面正透镜LlO由N-SF8制成。
[0028]中波红外光后固定组包括沿第二组分光棱镜L8的透射光路依次设置的第四双弯月正透镜L12、第四双凸面正透镜L13以及第五双弯月正透镜L14 ;第五双弯月正透镜L14朝向物距的面加有非球面；第四双弯月正透镜L12、第四双凸面正透镜L13以及第五双弯月正透镜L14均由Ge制成。
[0029]长波红外光后固定组包括沿第二组分光棱镜L8的透射光路依次设置的第六双弯月正透镜L15、第五双凸面正透镜L16、第七双弯月正透镜L17、第八双弯月正透镜L18以及第九双弯月正透镜L19 ;第六双弯月正透镜L15朝向物距的面加有非球面，第五双凸面正透镜L16朝向物距的面加有衍射非球面。第六双弯月正透镜L15和第七双弯月正透镜L17均由Ge制成，第五双凸面正透镜L16和第八双弯月正透镜L18均由CsBr制成，第九双弯月正透镜L19由ZnSe制成。
[0030]本发明的原理:
[0031]本发明由公共前固定组，公共变倍组和公共补偿组组成。满足同时透过可见、中波和长波红外光波的要求，并实现三个波段同步变焦。SrF2、PbF2, KCl和AgGaS2色散性能较好，有利于降低宽波段产生的色差。系统组元结构采用双分离结构，利用正负透镜组合进一步矫正色差。变焦形式采用机械式正组补偿形式，变焦比达到10X，系统变焦补偿曲线光滑、顺畅。为了减小公共变焦部分自身像差，所在公共前固定第一片透镜朝向物距面加有非球面，第二片透镜朝向物距面加有非球面。公共变倍组第一片透镜朝向物距面加有衍射非球面。公共补偿组第一片透镜朝向物距的面加有衍射非球面，第二片透镜朝向物距的面加有非球面。可见光后固定组第二片胶合透镜正透镜朝向物距的面加有非球面。中波红外光后固定组第三片透镜朝向物距的面加有非球面。长波红外光后固定组第一片透镜朝向物距的面加有非球面，第二片透镜朝向物距的面加有衍射非球面。采用直接变焦比补偿方法，在分别在中波、长波红外光路上加变焦比差补偿组。通过变焦比差补偿组沿轴向移动，分别补偿中波、长波红外相对于可见光焦距差异，使三个波段的焦距差异小于焦深值。
[0032]针对现有技术存在的问题及局限性，本发明主要包括九个组元，分别为:公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组、两组分光棱镜，可见光后固定组、中、长波红外光后固定组以及相应的变倍比差补偿组。所述公共前固定组为两片双弯月正透镜，所述公共变倍组由一片双弯月正透镜和一片双凹面负透镜组成，所述公共补偿组为两片双凸面正透镜；第一组分光棱镜反射可见光，透射中波和长波红外。第二组分光棱镜反射长波红外，透射中波红外；所述可见光后固定组在第一组分光棱镜反射光路，包括三片透镜分别为:弯月正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜L9，双凸面正透镜和双凸面正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜Lll ;所述中波红外光后固定组在第二组分光棱镜透射光路，包括三片透镜分别为:中波变焦比差补偿组，其为双弯月正透镜，双凸面正透镜和双弯月正透镜；所述长波红外光后固定组在第二组分光棱镜反射光路，包括五片透镜分别为:长波变焦比差补偿组，其为双弯月正透镜，双凸面正透镜以及三片双弯月正透镜。
[0033]其中，公共前固定组为两片双弯月正透镜，沿光轴方向材料依次为SrF2和PbF2，其中第一片透镜朝向物距面加有非球面，第二片透镜朝向物距面加有非球面。公共变倍组由一片双弯月正透镜和一片双凹面负透镜组成，材料均为KCl，其中第一片透镜朝向物距面加有衍射非球面。公共补偿组为两片双凸面正透镜；沿光轴方向材料依次为SrF2和AgGaS2，其中第一片透镜朝向物距的面加有衍射非球面，第二片透镜朝向物距的面加有非球面。两组分光棱镜，材料均为多光谱CVD硫化锌(CLEARTRAN)。可见光后固定组包括一片弯月正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜，一片双凸面正透镜和一片双凸面正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透；沿光轴方向材料依次为N-LaK8和SF2、N-SF8、N-BaK4和SF1，其中第二片胶合透镜正透镜朝向物距的面加有非球面。中波红外光后固定组包括中波一片双弯月正透镜，一片双凸面正透镜和一片双弯月正透镜，材料均为GERMANIUM，其中第三片透镜朝向物距的面加有非球面。长波红外光后固定组包括一片双弯月正透镜，一片双凸面正透镜以及三片双弯月正透镜，沿光轴方向材料依次为GERMANIUM、CsBr, GERMANIUM、CsBr, ZnSe，其中第一片透镜朝向物距的面加有非球面，第二片透镜朝向物距的面加有衍射非球面。
[0034]本发明的使用过程如下:[0035]在实际使用过程中，公共前固定组固定不动，公共变倍组根据实际需求沿轴向移动同时改变可见光、中波和长波红外的焦距，之后由按照变焦曲线加工成的凸轮带动公共补偿组补偿焦距改变引起的相面移动，经棱镜分光后，可见光后固定组补偿可见波段像差并在接收器成像，中波变焦比差补偿组移动设定的位移量补偿可见光和中波红外的焦距差异，达到两个波段焦距差值小于其焦深值，中红外后固定组补偿中红外波段像差并在接收器成像，长波变焦比差补偿组沿轴向，按照设定的位移量移动补偿可见光和长波红外的焦距差异，达到两个波段焦距差值小于其焦深值，长波红外光后固定组补偿长波红外波段像差并在接收器成像。
[0036]当由于昼夜交替、烟雾干扰以及遮挡隐藏等原因，需要利用不同波段观测时，集成多波段变焦成像光学系统无需光路转换，根据原来光路锁定的目标，直接利用所需光路对目标进行实时观测，实现光学系统在三波段情况下对目标的同步成像、同步跟踪与测量。系统无需重新对准和搜索目标，反应速度大大提高，并有效地避免了由于光路转换而失去移动速度较快的目标。
[0037]如图2所示，为了取得优异的效果，下面给出本发明部件所采用的具体参数:表1表示集成多波段连续变焦光学系统基本透镜数据(透镜曲率、厚度、透镜间隔及材料)；
[0038]表1三波段连续变焦光学系统结构参数
[0039]
【权利要求】
1.一种集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:包括沿光轴依次设置的公共前固定组、公共变倍组、公共补偿组以及用于反射可见光、透射中波红外光和长波红外光的第一组分光棱镜(L7)和用于反射长波红外光、透射中波红外光的第二组分光棱镜(L8);第一组分光棱镜(L7)的反射光路上设置有可见光后固定组,第二组分光棱镜(L8)的透射光路上设置有中波变焦比差补偿组和中波红外光后固定组，第二组分光棱镜(L8)的反射光路上设置有长波变焦比差补偿组和长波红外光后固定组。
2.根据权利要求1所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的公共前固定组包括沿光轴方向依次设置的第一双弯月正透镜(LI)和第二双弯月正透镜(L2)，第一双弯月正透镜(LI)朝向物距面加有非球面，第二双弯月正透镜(L2)朝向物距面加有非球面；第一双弯月正透镜(LI)由SrF2制成，第二双弯月正透镜(L2)由PbF2制成。
3.根据权利要求1所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的公共变倍组包括沿光轴方向依次设置的第三双弯月正透镜(L3)和双凹面负透镜(L4)，第三双弯月正透镜(L3)朝向物距面加有衍射非球面；第三双弯月正透镜(L3)和双凹面负透镜(L4)均由KCl制成。
4.根据权利要求1所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的公共补偿组包括第一双凸面正透镜(L5)和第二双凸面正透镜(L6);第一双凸面正透镜(L5)朝向物距的面加有衍射非球面，第二片透镜朝向物距的面加有非球面；第一双凸面正透镜(L5)由SrF2制成,第二双凸面正透镜(L6)由AgGaS2制成。
5.根据权利要求1所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的第一组分光棱镜(L7)和第二组分光棱镜(L8)均由CLEARTRANZnS制成。
6.根据权利要求1或5所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的可见光后固定组包括沿第一组分光棱镜(L7)的反射光路依次设置的第一胶合透镜(L9)、第三双凸面正透镜(LlO)以及第二胶合透镜(Lll);其中，第一胶合透镜(L9)为一片弯月正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜，第二胶合透镜(Lll)为一片双凸面正透镜和双凹面负透镜组成的胶合透镜；第二胶合透镜(Lll)正透镜朝向物距的面加有非球面。
7.根据权利要求6所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的第一胶合透镜(L9)中，弯月正透镜和双凹面负透镜的材料分别为N-LaK8和SF2，第二胶合透镜(Lll)中，双凸面正透镜和双凹面负透镜的材料分别为N-BaK4和SF1，第三双凸面正透镜(LlO)由N-SF8制成。
8.根据权利要求1或5所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的中波红外光后固定组包括沿第二组分光棱镜(L8)的透射光路依次设置的第四双弯月正透镜(L12)、第四双凸面正透镜(L13)以及第五双弯月正透镜(L14);第五双弯月正透镜(L14)朝向物距的面加有非球面；第四双弯月正透镜(L12)、第四双凸面正透镜(L13)以及弟五双弯月正透镜(L14)均由Ge制成。
9.根据权利要求1或5所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的长波红外光后固定组包括沿第二组分光棱镜(L8)的透射光路依次设置的第六双弯月正透镜(L15)、第五双凸面正透镜(L16)、第七双弯月正透镜(L17)、第八双弯月正透镜(L18)以及第九双弯月正透镜(L19);第六双弯月正透镜(L15)朝向物距的面加有非球面，第五双凸面正透镜(L16)朝向物距的面加有衍射非球面。
10.根据权利要求9所述的集成多波段共光路同步连续变焦光学系统，其特征在于:所述的第六双弯月正透镜(L15)和第七双弯月正透镜(L17)均由Ge制成，第五双凸面正透镜(L16)和第八 双弯月正透镜(L18)均由CsBr制成，第九双弯月正透镜(L19)由ZnSe制成。
【文档编号】G02B15/163GK104035190SQ201410247517
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】高明, 刘钧, 吕宏, 陈阳, 巩蕾 申请人:西安工业大学